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Materiali per gli anelli e gli elementi volventi dei cuscinetti

Acciaio per cuscinetti standard

L'acciaio utilizzato per produrre i cuscinetti Super-precision standard della SKF è un acciaio, estremamente puro, al cromo-carbonio (100Cr6) sottoposto a tutta tempra, composto da circa l'1% di carbonio e l'1,5% di cromo, in conformità con la norma ISO 683-17:1999. La composizione di questo acciaio per cuscinetti consente un equilibrio ottimale tra fabbricazione e prestazioni applicative. Questo acciaio, di norma, viene sottoposto a trattamento termico martensitico o bainitico, per ottenere una durezza compresa tra 58 e 65 HRC.

I cuscinetti Super-precision della SKF sono stabilizzati dimensionalmente fino a 150 °C (300 °F). La temperatura di esercizio ammissibile, tuttavia, può essere limitata anche da altri fattori, quali il materiale della gabbia e delle tenute o il lubrificante.

Per informazioni sulle proprietà dei materiali, fare riferimento alla tabella 1.

Acciaio NitroMax (acciaio inossidabile ad alto contenuto di azoto)
Il NitroMax è una nuova generazione di acciaio inossidabile purissimo, ad alto contenuto di azoto. Rispetto all'acciaio la carbonio-cromo standard (100Cr6), il NitroMax offre i seguenti vantaggi:
  • maggiore resistenza a fatica/usura in condizioni di lubrificazione insufficiente
    (k < 1)
  • maggiore resistenza alla frattura
  • eccezionale resistenza alla corrosione

Ognuna di queste caratteristiche risulta vantaggiosa in presenza di velocità superiori a A = da 1 a 1,15 × 106 mm/min.

La maggiore resistenza a fatica/usura consente il prolungamento della durata dei cuscinetti in tutte le condizioni di lubrificazione e soprattutto in caso di funzionamento con film sottile, determinato dal fenomeno di starvation cinematica a velocità molto elevate.

La maggiore resistenza alla frattura permette di ridurre il rischio di fratturazione dell'anello interno, dovuta all'aumento delle sollecitazioni di trazione circonferenziali, causate dalle forze centrifughe, nelle applicazioni a velocità molto elevate.

Rispetto all'acciaio al carbonio-cromo, questo acciaio purissimo, ad alto contenuto di azoto, può prolungare considerevolmente la durata di esercizio dei cuscinetti, in condizioni di esercizio con film di lubrificazione completo (k ≥ 1). In caso di condizioni di funzionamento con film sottile, il prolungamento della durata risulta anche più marcato diagramma 1.

L'acciaio NitroMax è superiore non solo a quello tradizionale al carbonio-cromo, ma anche ad altri tipi di acciaio inossidabile ad alto contenuto di azoto. Per comprenderne il motivo, è necessario capire il modo in cui l'azoto influenza la microstruttura dell'acciaio e in che modo ciò viene ottimizzato attraverso il trattamento termico.

Quando l'acciaio al carbonio- cromo viene sottoposto a trattamento termico, il processo produce carburi di cromo-molibdeno di grandi dimensioni e fragili, che impoveriscono la matrice di acciaio circostante di cromo e molibdeno, riducendo così la sua resistenza alla pittatura da corrosione. Quando l'acciaio NitroMax viene sottoposto a tempra, invece, si formano nitruri di cromo piccoli e fini (fig. 1). Ciò accade perché quando l'azoto sostituisce parzialmente il carbonio nella lega d'acciaio, viene disciolta una quantità molto più elevata di cromo nella matrice in acciaio. Le zone impoverite di cromo più piccole attorno ai nitruri rendono l'acciaio NitroMax molto più resistente alla corrosione(fig. 2).

La maggiore resistenza all'usura viene conferita all'acciaio NitroMax dalla sua microstruttura regolare e dalla distribuzione capillare dei precipitati di nitruro di cromo con pochi, se non addirittura nessun, carburo secondario non disciolti nella microstruttura. La fine struttura del NitroMax si rivela vantaggiosa a confronto con l'acciaio standard 100Cr6, il che contribuisce a spiegare le prestazioni superiori della stessa. Elevate resistenza agli urti, stabilità dimensionale e durezza (> 58 HRC) sono il risultato degli stadi di rinvenimento e tempra finali del trattamento termico.

Un ulteriore vantaggio dell'acciaio NitroMax è il suo coefficiente di dilatazione inferiore a quello del 100Cr6, che combinato con il coefficiente di dilatazione termica estremamente basso delle sfere in ceramica, utilizzate di serie per i cuscinetti SKF con anelli in acciaio NitroMax, conferisce ai cuscinetti che impiegano questi due materiali una minore sensibilità alle differenze di temperatura tra anelli interno ed esterno. Il livello di precarico, pertanto, si mantiene molto più stabile anche ai limiti estremi di funzionamento, il che si traduce nella riduzione delle perdite da attrito e delle temperature operative e nel prolungamento della durata di esercizio.

Ceramica

Il materiale ceramico utilizzato per gli elementi volventi dei cuscinetti Super-precision della SKF è nitruro di silicio conforme alla ISO 26602:2009, ovvero sottili grani allungati di nitruro di silicio beta in una matrice allo stato vetroso. Questo materiale offre una combinazione di proprietà favorevoli specialmente per cuscinetti per alta velocità:

  • elevata durezza
  • elevato modulo di elasticità
  • bassa densità
  • basso coefficiente di dilatazione termica 
  • elevata resistività elettrica
  • bassa costante dielettrica
  • assenza di reazione ai campi magnetici

Per informazioni sulle proprietà dei materiali, fare riferimento alla tabella 1.

I cuscinetti con anelli in acciaio e sfere in ceramica sono noti come cuscinetti ibridi.

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